[發明專利]加速裝置及基于半導體激光器的介質激光加速結構

在審

• 申請號: 201910631202.9
• 申請日: 2019-07-12
• 公開（公告）號: CN111726930A
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發明（設計）人: 林宏翔;魏曉慧;羅中良
• 申請（專利權）人: 惠州學院
• 主分類號: H05H15/00
• 分類號: H05H15/00
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張潤

本發明公開了一種加速裝置，包括：第一電極和第二電極，第一電極和第二電極正對設置；第一波導層和第二波導層，第一波導層位于第一電極的下方，第二波導層位于第二電極的上方；有源區，有源區位于第一波導層和第二波導層之間；閃耀光柵；反射層，反射層和閃耀光柵都位于第一電極和第二電極之間且分別垂直設置于第一電極和第二電極的兩側；電子束通道，電子束通道的至少一側形成有光柵，作為加速區；真空區，真空區是由有源區的端面、閃耀光柵和半導體材料所圍成的區域。該加速裝置通過有源區、閃耀光柵和反射層的巧妙設置可以直接方便的對粒子進行加速，無需要增加其他外部復雜光路的搭建，結構小巧，簡單有效。

技術領域

本發明涉及粒子加速領域技術領域，尤其涉及一種加速裝置及基于半導體激光器的介質激光加速結構。

背景技術

隨著近代科學技術的發展，人類對物質構成的認識越來越深入，但探索不同層次的物質世界需要借用不同的探測工具，而粒子加速器是人類探索微觀世界的重要工具之一。目前，高能加速器尺寸非常龐大，且造價昂貴，以其他產生硬X射線的加速器裝置為例，通常總預算均超過10億美元，裝置大小以公里為計量單位。隨著科技的發展，諸多領域對加速器提出了高梯度，便攜性的要求。因此，無論是在科研、教學或者民用加速器領域，加速器小型化、低成本化都是目前發展的重要方向。

目前世界公認最有前景的兩種加速器小型化技術方向是：介質激光加速器以及等離子體加速器。2013年Nature報道了斯坦福大學激光介質加速器最新的研究成果，通過兩束激光照射在光柵介質表面，在光柵內部形成高梯度的加速電場，其加速梯度達到250MeV/m，遠遠高于當前常規加速器30MeV/m的加速梯度。文中也指出了介質激光加速器在非相對論電子的加速區所面臨的電子加速相位與電場相位不同的滑相問題。

由此可見，基于強激光與帶電粒子相互作用的激光介質加速器比基于傳統加速器的方案具有很多獨特優勢，是加速器技術發展的重要技術方向之一。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。

為此，本發明的第一個目的在于提出一種加速裝置，以簡單方便的實現粒子的加速。

本發明的第二個目的在于提出一種基于半導體激光器的介質激光加速結構。

為達上述目的，本發明第一方面實施例提出了一種加速裝置，包括：第一電極和第二電極，所述第一電極和所述第二電極正對設置；第一波導層和第二波導層，所述第一波導層位于所述第一電極的下方，所述第二波導層位于所述第二電極的上方；有源區，所述有源區位于所述第一波導層和所述第二波導層之間，且呈楔形結構，用于在所述第一電極和所述第二電極通電時產生激光；閃耀光柵，所述閃耀光柵位于所述第一電極和所述第二電極之間，且位于一側并垂直于所述第一電極和所述第二電極設置；反射層，所述反射層位于所述第一電極和所述第二電極之間，且位于另一側并垂直于所述第一電極和所述第二電極設置；電子束通道，所述電子束通道形成在所述第一波導層和所述第一電極之間的半導體材料中，所述電子束通道的至少一側形成有光柵，作為加速區；真空區，所述真空區是由所述有源區的端面、所述閃耀光柵和所述半導體材料所圍成的區域。

根據本發明實施例的加速裝置，首先有源區在外部激勵電流作用下實現粒子數反轉，達成基本的激光增益條件，激光經過基本增益之后射出有源區，經過真空區到達閃耀光柵，經過閃耀光柵激光改變方向水平向右發射，通過電子束通道，與經過電子束通道的粒子相互作用，對粒子起到加速的作用，之后激光被反射層進行反射，根據光路可逆性，激光將原路返回到有源區，經過有源區的增益和反射層的作用之后，重復上述步驟，對電子束通道中的粒子進行加速。該裝置通過有源區、閃耀光柵和反射層的巧妙設置可以直接方便的對粒子進行加速，無需要增加其他外部復雜光路的搭建，結構小巧，簡單有效。

另外，根據本發明上述實施例的加速裝置還可以具有如下附加技術特征：